Electrophysiological correlates of motor control and error-monitoring in healthy pianists and pianists with musician's dystonia

Herrojo Ruiz, Marie

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Electrophysiological correlates of motor control and error-monitoring in healthy pianists and pianists with musician's dystonia

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Exzellente Performanz erfordert die Fähigkeit, ablaufendes Verhalten zu beobachten, Fehler zu erkennen und die Performanz in Reaktion auf veränderliche Umweltbedingungen oder Ziele zu verändern. Einerseits bestand im Rahmen der Erforschung motorischen Verhaltens Interesse an der Frage, wie Lernen aus Fehlern motorische Fähigkeiten verbessern kann und wie relevant Einstellungswechsel (``set-shifting'') für eine adäquate Performanz sind. Andererseits hat die Neurowissenschaft in letzter Zeit angefangen, die neuralen Korrelate von Fehlerkontrollprozessen sowie Ausführung und Inhibition motorischer Programme zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit versucht, neue Einsichten zu vermitteln bezüglich: (i) Erkennung und Verarbeitung von Fehlern; (ii) Bewegungsplanung und -ausführung; und (iii) Reaktionsunterdrückung. Der besondere Ansatz der vorliegenden Untersuchung besteht dabei darin, sich insbesondere mit der Performanz des Klavierspielens - als Beispiel für eine viel Übung erfordernde multimodale Aufgabe - auseinanderzusetzen. Neuere neurophysiologische Studien belegen die Hypothese, daß Musiker-Dystonie (MD), eine Form fokaler aufgabenspezifischer Dystonie, in Zusammenhang mit gestörter Inhibition und abnormaler Bewegungsvorbereitung steht. Darüber hinaus wurde über gestörte Exekutiv-Funktionen (wie z.B. Fehlerkontrolle) in Zusammenhang mit Störungen des Netzwerks von Basalganglien, Thalamus und frontalem Cortex (wie z.B. der Parkinson-Krankheit oder dem Tourette-Syndrom) berichtet. Dementsprechend werden in der vorliegenden Arbeit sowohl gesunde wie auch an MD leidende Pianisten untersucht. Die empirischen Daten der vorliegenden Arbeit stammen aus drei elektrophysiologischen (EEG-) Experimenten. Die Analyse konzentrierte sich auf die Rolle von Oszillationen und Synchronisationsprozessen im EEG-Signal und ihre vermutete Relevanz für die Pathophysiologie von MD. Dieser methodologische Ansatz wurde durch eine Reihe verschiedener Befunde motiviert, die auf eine grundlegende Rolle von lokaler und globaler neuraler Synchronisation bei der funktionalen Integration und Segregation im Gehirn hinweisen. Die hier präsentierten Befunde tragen zu einem besseren Verständnis der neuralen Grundlagen von exekutiven Funktionen und Einstellungswechseln bei der Performanz gesunder Pianisten sowie ihrer Verschlechterung bei an MD leidenden Pianisten bei.

Excellent performance requires the ability to monitor ongoing behavior, detect errors and modify the performance in response to changing environmental conditions or goals. On the one hand, motor behavior research has long been interested in how learning from errors can benefit motor skills and how relevant is set-shifting for an adequate performance. On the other hand, more recently, the neuroscientific community has set out to investigate the neural correlates of error-monitoring and execution and inhibition of motor programs. The present thesis aims at providing new insights into the neural mechanisms subserving: (i) Detection and processing of errors; (ii) movement planning and execution; and (iii) response inhibition. The novelty of the present investigation is to focus on a natural kind of piano performance as an example of a complex multimodal task, which requires high skills. Recent neurophysiological studies have presented evidence for the hypothesis that musician's dystonia (MD), a form of focal task-specific dystonia, is associated with impaired inhibitory function and abnormal movement preparation. Furthermore, disturbed executive functions such as error-processing have been reported in other conditions with dysfunction of the basal ganglia-thalamic-frontal circuit such as Parkinson's Disease or Tourette's Syndrome. Consequently, the investigations in the present thesis extend from healthy pianists to pianists affected by MD. The empirical data of this work were collected from three electrophysiological (EEG) experiments. The subsequent data analysis focused on the role of oscillations and synchronization of the EEG signal and their putative relevance for the pathophysiology of MD. This methodological approach was motivated by the several lines of evidence that point to a fundamental role of local and global neural synchrony in the brain functional integration and segregation. The findings presented here foster our better understanding of the neural underpinnings of executive functions and set-shifting in highly skilled performance in healthy pianists and in its degradation in pianists with MD.